計算機輔助夾具設計
摘要：夾具是重要的工藝裝備，對工件加工質量起著重要的作用。但夾具的設計往往需要經驗豐富的技術人員，設計過程比較複雜，計算機輔助夾具設計的出現簡化了夾具設計的流程，減少了工作量，對於縮短加工準備時間、提高生產效率、減輕勞動強度有重要作用，本文簡要介紹了計算機輔助夾具設計技術的發展過程和實現方法。
關鍵詞：夾具、計算機輔助設計
1 引言
夾具是使工件迅速而準確的定位與夾緊的工藝裝備。合理的夾具設計是保證工件加工質量的關鍵因素之一。夾具的設計和組裝需要生產經驗豐富的工程技術人員和技術熟練的技工，這正是工業中短缺的人才，客觀上成為了限制組合夾具廣泛應用的障礙。
將cad及人工智慧技術用於指導組合夾具的拼裝以提高設計的智慧型程度，由此而適應生產需求的多樣化，縮短生產準備週期，克服人工進行組裝設計而造成速度慢，非最優，實用性差等缺點，達到提高生產效率、減輕勞動強度的目的[1]
2 計算機輔助夾具設計的發展
計算機輔助夾具設計的研究可以追溯到上世紀70年代，即俄羅斯和德國學者對夾具cad技術的研究工作，20世紀80年代經過歐美學者對夾具自動推理的研究，計算機輔助夾具設計技術有了突破性的進展，如法國學者在2023年開發了第乙個cafd專家系統。[2]此系統將夾具的功能作為確定夾具的結題規則，通過規則來構造工件的支承點及相應的工件表面並選擇一般的夾具原件進行組裝，但該系統只能進行簡單的稜柱類零件的設計。匈牙利學者在2023年使用prolog語言設計了一種著重於組合夾具組裝的半自動化cafd專家系統。
[3]我國從上世紀80年代中期開始cafd的研究。北京理工大學和中國航空技術進出口公司都是較早的研究機構[1,4]
根據計算機輔助夾具設計的方法和智慧型化程度，可以劃分為三個階段[5]：
(1) 與20世紀80年代初的cad軟體水平配合的第一代 cafd系統，應用cad軟體的圖形功能建立一些圖形庫，從而減少一些重複性勞動，從自動化程度上劃分屬於互動式夾具設計系統。
(2)20世紀80年代中後期，以變異式和生成式方法發展基於成組技術以及知識的 cafd系統，實現夾具的相似性檢索以及安裝$定位和夾緊的輔助設計，從自動化程度上劃分屬於半自動化夾具設計系統。
(3) 20世紀90年代後期的cafd系統，發展基於規則、例項和智慧型演算法的cafd系統，試圖實現夾具的自動規劃\智慧型元件選擇和自動化裝配，從自動化程度上劃分屬於自動化夾具設計系統。
3 計算機輔助夾具設計的實現方法
計算機輔助夾具設計包括約束描述、分析建模、綜合搜尋策略三個方面[1]
3.1約束描述方法
幾何表達是描述設計需求的最直接方法，常用在柔性夾具系統和專用夾具構形的詳細設計階段。基於gt的方法，適應計算機輔助設計，組合夾具元件必須編碼。基於特徵的方法。
後兩種方法都可以與夾具綜合階段的專家系統和基於規則的系統相容，但是由於設計需求的詳細描述很困難，gt實際上只適用於概念設計。
3.2分析建模方法
設計分析階段主要建立關係模型。只有建模全部約束和目標，夾具構形設計的優化方程才是完全的。
(1)幾何方法。這是一種廣泛採用的方法。運用幾何方法，大部分需求資訊可以從cad系統中檢索得到
(2)螺旋理論。螺旋理論基於三維空間中剛體的運動；工件的受力和運動可以被建模為「 力」旋量和「運動」旋量。為了建立一些用來評估抓取的高質量措施，借助於螺旋理論提出了一種數學方法，解決適用於稜柱形工件的工具機夾具的自動構形設計。
螺旋理論用來產生：接觸（定位和夾緊）點的最少數目接觸點集引起的許用運動特定接觸處的反力平衡切削力所需的夾緊力。
(3)有限元方法。由於在產生相應壓應力和位移方面的能力，有限元方法已經應用在許多變形相關的研究中，該方法多用於優化設計。
(4)基於規則或者基於特徵的分析。基於特徵的模型中，典型方法是用乙個特徵集描述零件。tseng對基於特徵的夾具設計進行了深入研究。
nee等人設計出第乙個基於規則的完全的夾具設計專家系統。
(5)力學分析方法。廣泛應用於建模工件—夾具之間力的作用和工件變形。meyer和liou開發了一種在工件—夾具系統中處理動態外力的綜合方法。
lin推出了乙個剛度矩陣公式用於順應夾具的準確高效建模，該公式很適合於自動規劃演算法。
3.3綜合搜尋方法
夾具綜合主要考慮兩個問題———簡化綜合過程和削減計算；另外，在可行的夾具構形空間中的搜尋策略也很重要。通常採用的方法有：
(1)分析方法。該方法只能處理少量設計變數。用多邊形來描述工件輪廓通過擴充套件工件邊將定位元件理想化為乙個點，從而建立平面上動態約束工件的全部可行夾具設計集
(2)基於規則的推理。這種自動化系統大多以專家系統的形式出現，通常只能提供初步的裝夾構型
(3)基因演算法。一般認為夾具設計師乙個複雜的多型離散問題。從大量候選方案中選取靜態穩定性最好的夾具構型。
(4)基於案例推理。從舊的案例中檢索並修改以滿足新的問題
(5)神經網路演算法。經過網路訓練，工件的裝夾方式可以推倒出來，可以徹底選擇出所有的夾具元件。該方法主要進行概念設計。
4 結語
近年來，隨著計算機技術的發展和計算機效能的提高，計算機輔助夾具設計技術得到了長足的發展。並有與三維數字定義技術相結合實現cafd與capp/cam的並行設計只能程度提高，減少人工參與與機械人裝夾技術結合，實現物理上的自動裝配等發展趨勢。[6]對縮短生產準備時間，提高生產自動化程度起到了促進作用
5 參考文獻
[1]段國林,林建平,張滿囤,齊紅威.組合夾具計算機輔助構型設計[a].河北工業大學學報,2004,33(2):104.
[2]趙紅星,熊良山.計算機輔助夾具設計的研究內容和發展沿革[j].組合工具機與自動化加工技術,2007(2):1-4.
[3]吳磊,蘇開華,程國飛.計算機輔助夾具設計發展現狀與趨勢[j].裝備製造技術,2011(11):89-91.
[4]蔡瑾,段國林,姚濤,等.計算機輔助夾具設計技術回顧與發展趨勢綜述[j].機械設計,2010,27(2):1-6.
[5]朱耀祥,融亦鳴.柔性夾具與計算機輔助夾具設計技術的進展[j].製造技術與工具機,2000(8):35-40.
[6] 張勝文,蘇延浩.計算機輔助夾具設計技術發展綜述[b].製造技術與工具機,2015(4):50-55.
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